李海一 楊騰雄 楊智鵬 陳記剛 縱淮北 倪昌

摘要：針對(duì)煤質(zhì)黏度較大，煤倉、提升機(jī)箕斗等場所經(jīng)常卸載不凈、貼壁，造成堵塞、殘煤、返料，影響運(yùn)輸效率等問題，文章提出一種基于PLC的殘煤檢測(cè)和聲能共振清理控制系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了檢測(cè)和聲能共振清理的工作原理，給出了采用PLC進(jìn)行殘煤量檢測(cè)，控制聲能共振裝置產(chǎn)生氣流脈沖性振動(dòng)和聲能熱效應(yīng)，并產(chǎn)生翻滾包裹式微震，實(shí)現(xiàn)貼壁殘煤的檢測(cè)、剝落和清理的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)殘煤檢測(cè)和清理，提高了生產(chǎn)效率，消除了傳統(tǒng)殘煤清理方式時(shí)的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，有較高的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：殘煤；聲能清理系統(tǒng)；PLC技術(shù)；脈沖氣流

中圖分類號(hào)： TP274? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引言

當(dāng)前煤礦深部開采生產(chǎn)過程中，立井建設(shè)的煤礦大多采用垂直提升系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動(dòng)完成煤炭的裝卸和提升運(yùn)輸，大大提高了煤礦的生產(chǎn)效率。在提升機(jī)裝卸煤時(shí)，由于潮濕的煤炭黏度較大，一方面導(dǎo)致井下煤倉卸煤口堵塞；另一方面，提升機(jī)箕斗卸載不凈甚至大量貼壁，箕斗中存在的殘煤使得每次裝載的煤炭量減少， 這些都降低了提升效率；同時(shí)，箕斗殘煤返料也浪費(fèi)了電能。

針對(duì)殘煤清除問題，傳統(tǒng)采用人工機(jī)械振打、聲波震動(dòng)、空氣炮等清除方式，無法有效且干凈去除殘煤，例如人工機(jī)械振動(dòng)存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)；空氣炮系統(tǒng)只能直吹，多數(shù)情況下無法對(duì)煤倉卸料口或者提升機(jī)箕斗內(nèi)不斷變化的殘煤應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行有效噴吹，不能解決殘煤清除問題［1-3］。另外，針對(duì)殘煤的自動(dòng)檢測(cè)，由于礦用提升機(jī)箕斗自身重量較大，對(duì)傳統(tǒng)的重量傳感器精度要求較高；同時(shí)也對(duì)測(cè)量精度影響較大且安裝不方便。為此，本文提出采用環(huán)繞式聲能自動(dòng)清理系統(tǒng)，該系統(tǒng)不受殘煤點(diǎn)位置變化限制，可有效解決箕斗殘煤清除問題。

環(huán)繞式聲能疏通系統(tǒng)利用空氣壓力及其周期性波動(dòng)能量產(chǎn)生物理作用（力學(xué)效應(yīng)等），對(duì)殘煤貼壁、結(jié)垢層產(chǎn)生疏松作用，使凝聚的殘煤顆粒產(chǎn)生間隙，顆粒發(fā)生移動(dòng)錯(cuò)位，脫離卸料口或箕斗，從而達(dá)到清除的目的。該系統(tǒng)具有安全性能高、清堵效果好、功耗小等特點(diǎn)。

殘煤檢測(cè)采用核輻射技術(shù)，放射性物質(zhì)輻射的射線在穿過被檢測(cè)物體時(shí)，輻射強(qiáng)度因被檢測(cè)物體吸收而減小，測(cè)量出其強(qiáng)度變化即可得出被檢測(cè)物體的吸收特性，從而獲取密度、厚度、吸收系數(shù)等參數(shù)。該技術(shù)具有非接觸性，安裝、檢測(cè)方便而得到廣泛應(yīng)用［4］。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)繞式聲能自動(dòng)清理系統(tǒng)以PLC為控制核心，能夠自動(dòng)檢測(cè)煤倉卸料口、提升機(jī)箕斗是否存在殘煤以及殘留量，自動(dòng)啟動(dòng)聲能共振裝置以及調(diào)節(jié)聲能強(qiáng)度，從而達(dá)到智能清理的效果。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)具有高精度、高可靠性和高效率等優(yōu)點(diǎn)。

1 核射線箕斗殘煤檢測(cè)原理

核輻射式殘煤檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，PLC監(jiān)測(cè)到提升機(jī)箕斗處于裝載位置時(shí)，系統(tǒng)打開固定于此的放射源輻射窗口，輻射源發(fā)出γ射線穿過煤倉卸料口和箕斗到達(dá)檢測(cè)器，檢測(cè)器檢測(cè)到的γ射線強(qiáng)度變化能直接反映煤倉卸料口與箕斗內(nèi)殘煤的質(zhì)量大小。依照比爾定律，γ射線穿過物料時(shí)被吸收的強(qiáng)度為［1-4］：

I=I0e-μdρ（1）

其中，I為穿過物料后的γ射線強(qiáng)度；I0為輻射源γ射線強(qiáng)度；μ為物料的質(zhì)量吸收系數(shù)；d為物料厚度；ρ為物料密度。

利用γ射線檢測(cè)器和前置放大器把射線強(qiáng)度I線性正比地轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，式（1）變換為：

d=ln（U0/U）μρ（2）

其中，U0 為無物料時(shí)探測(cè)器輸出的電壓；U 為有物料時(shí)探測(cè)器輸出的電壓。

因此，只需檢測(cè)出探測(cè)器輸出電壓即可計(jì)算出煤倉卸料口和箕斗內(nèi)物料平均厚度和殘煤質(zhì)量。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以西門子S7-1211C型PLC為控制器，擴(kuò)展了外圍電路，實(shí)現(xiàn)殘煤檢測(cè)、共振清理和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，包括殘煤檢測(cè)電路、人機(jī)接口電路、聲能共振清理系統(tǒng)電路和以太網(wǎng)通信接口電路等。

西門子S7-1211C型PLC是一款基于S7-1200系列的緊湊型PLC（可編程邏輯控制器），其具有以下參數(shù)。處理器速度：75 MHz；內(nèi)存：50 KB；數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)數(shù)：最大輸入點(diǎn)數(shù)8個(gè)，最大輸出點(diǎn)數(shù)4個(gè)；模擬量輸入點(diǎn)數(shù)2個(gè)；通信接口：支持以太網(wǎng)通信和串行通信；電源輸入：24 V DC；工作溫度：0～55℃。上述參數(shù)滿足本系統(tǒng)的功能要求。

2.1 殘煤檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

由于檢測(cè)室測(cè)量輸出的是電流信號(hào)且較微弱，通常為nA級(jí)，容易受到干擾。因此，通常將信號(hào)調(diào)理電路密封在檢測(cè)室的腔體內(nèi)，利用靜電級(jí)前置放大器將電流信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。另外，為減少電路間的影響，電壓信號(hào)經(jīng)二次放大并采用線性光電耦合器隔離，最終輸出與PLC匹配的電壓信號(hào)，調(diào)理放大電路如圖2所示。

圖2中U3為高精度線性光耦器HCNR200，U1、U2和U4為運(yùn)算放大器。電路共分為2個(gè)部分，第一部分是第一級(jí)運(yùn)放通過U3組成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。第二部分是第二級(jí)運(yùn)放將電流轉(zhuǎn)換成電壓。U3的前半部分采用DCDC隔離模塊轉(zhuǎn)換出的5 V供電，與后端單片機(jī)端隔離，這樣各種干擾信號(hào)不會(huì)被引入光耦后端系統(tǒng)。改變電阻R3的值可以調(diào)整輸出電壓VO的大小。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路測(cè)量范圍為0～10 V，滿足S7-1211C的模擬量輸入電壓0～10 V的要求。

2.2 聲能共振清理系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

聲能共振清理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。供氣管路外接壓縮空氣機(jī)，壓縮空氣通過供氣管路進(jìn)入變頻泵，經(jīng)過變頻泵和變頻電動(dòng)機(jī)的配合，加壓轉(zhuǎn)換后形成可調(diào)節(jié)頻率的大振幅聲能，在供氣管路上設(shè)置的過濾器，能對(duì)進(jìn)入變頻泵的氣體進(jìn)行過濾，并且通過穩(wěn)

壓罐能夠提高氣流的穩(wěn)定流通；通過排氣喇叭管將產(chǎn)生的大振幅聲能輸入煤倉卸料口或提升機(jī)箕斗。

當(dāng)PLC檢測(cè)到殘煤達(dá)到一定質(zhì)量時(shí)，發(fā)送啟動(dòng)變頻泵和打開氣源閥門的指令，高能量、大振幅聲能使貼壁殘煤顆粒產(chǎn)生振蕩，形成環(huán)繞聲場，破壞其結(jié)合力；聲疲勞效應(yīng)可使搭橋斷裂；聲能的脫水特性，可使由于濕度過大而導(dǎo)致的起拱、搭橋和貼壁的煤炭顆粒迅速脫水，降低黏結(jié)力，增加流動(dòng)性，進(jìn)而達(dá)到清理殘煤的目的。

2.3 人機(jī)接口電路

西門子S7-1211C型PLC提供了人機(jī)接口（HMI）的連接方案，本文選用西門子SMART LINE系列SMART 700觸摸屏，完成數(shù)據(jù)輸入、顯示和查詢。組態(tài)編程軟件具有強(qiáng)大功能，可為用戶提供友好的操作界面。

HMI操作界面設(shè)置了手動(dòng)、自動(dòng)畫面。自動(dòng)畫面用來實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的剩余殘煤平均厚度、共振清理設(shè)備相關(guān)參數(shù)，如系統(tǒng)啟動(dòng)閾值、聲能共振頻率和啟動(dòng)次數(shù)等。手動(dòng)畫面用來現(xiàn)場調(diào)整吸收率、參數(shù)修正、共振清理系統(tǒng)啟動(dòng)閾值、報(bào)警允許與取消等。共振清理系統(tǒng)啟動(dòng)和報(bào)警功能是： 當(dāng)檢測(cè)的厚度大于設(shè)定的啟動(dòng)閾值時(shí)，送出啟動(dòng)信號(hào)。若聲能共振啟動(dòng)信號(hào)發(fā)出后仍存在設(shè)定的殘煤平均厚度則報(bào)警。

S7-1211C型PLC自帶以太網(wǎng)接口可以將系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳送給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件采用博途軟件進(jìn)行編程，組態(tài)好PLC各硬件模塊后，采用梯形圖進(jìn)行主程序和各子模塊編程，流程如圖4所示。

為盡可能地獲取更大范圍的殘煤厚度和測(cè)量精度，采樣電路部分采用自適應(yīng)方式調(diào)整模擬輸入的可編程增益；同時(shí)，在周期采樣定時(shí)中斷子程序中可將PLC自帶的10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果精度提高至14位 ［5-7］。另外，由于核輻射式稱重傳感器采用的放射源會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生衰變，其γ射線強(qiáng)度也隨之衰減，可通過HMI操作界面或軟件自動(dòng)調(diào)整的方式對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行修正，既能保證檢測(cè)精度，還可以適用不同現(xiàn)場的需要，如箕斗更換、不同煤質(zhì)或潮濕度的場景。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，進(jìn)行了箕斗殘煤檢測(cè)實(shí)驗(yàn)及測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)定。首先，通過調(diào)整圖2中電位器R3，將無煤時(shí)的放大隔離電路的電壓輸出值設(shè)置為10 V，輸入初始值設(shè)置為10 V，HMI畫面顯示厚度為0 cm。然后，在箕斗中逐漸加入煤炭，計(jì)算出厚度并顯示。最后，與實(shí)際值比較，進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試及校準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能很好地完成殘煤檢測(cè)和清理，準(zhǔn)確度較高，安裝方便。

5 結(jié)語

為解決礦山企業(yè)提升機(jī)運(yùn)輸時(shí)煤倉卸料口堵塞、箕斗卸煤不凈、貼壁和返料等現(xiàn)象的發(fā)生，提出基于PLC的聲能共振清理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用先進(jìn)的核輻射式檢測(cè)方式測(cè)量殘煤量，用于控制聲能發(fā)生器上的電動(dòng)機(jī)啟停；設(shè)計(jì)了通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)聲源頻率的功能，以達(dá)到最佳的清理效果；擴(kuò)展了以太網(wǎng)通信接口，可根據(jù)需要接入礦山現(xiàn)有DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中管理遠(yuǎn)程控制；系統(tǒng)可自動(dòng)完成清堵，達(dá)到了機(jī)械化減人、自動(dòng)化換人的目的。

聲能共振清理系統(tǒng)還適用于溜槽、漏礦斗、煤倉等區(qū)域的堵礦處理工作，具有廣闊的應(yīng)用場景。

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Development of resonant cleaning system for residual coal based on S7-1200

Li? Haiyi1， Yang? Tengxiong2， Yang? Zhipeng2， Chen? Jigang1， Zong? Huaibei1， Ni? Chang1

（1.Huainan Mining Group， Huainan 232000， China;

2.Anhui Shengshi Heavy Technology Equipment Co.， Ltd.， Huainan 232000， China）

Abstract：? Due to the high viscosity of coal， coal bunkers，the mine hoist skip and other places often fails to unload cleanly and sticks to the wall， resulting in blocking， residual coal and material return， which affect the transport efficiency， the article suggests a residual coal detection and acoustic energy resonance cleaning control system based on PLC. The principle of detection and acoustic energy resonance cleaning is introduced in detail. The method of using PLC to detect the amount of residual coal， controlling the acoustic energy resonance device to generate airflow pulse vibration and acoustic energy thermal effect， generating rolling wrapped microseisms， and realizing the detection， peeling， and dredging of residual coal is presented. The experimental results show that the system can effectively achieve accurate residual coal detection and cleaning， improve production efficiency， eliminate operational risks when manually handling skip residual coal， and reduce labor intensity of employees. It has high application value in practice.

Key words： residual coal; acoustic energy cleaning system; PLC technology; pulsed air flow